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Entropie - 2.Version - Referat
Die Entropie ist eine fundamentale thermodynamische Größe, welche in der Einheit Joule pro Kelvin (J/K) angegeben wird.
Sie kann als mengenartige Größe verstanden werden, die fließen und in Körpern vorhanden sein kann. Zwei gleichartige Körper, die sich alleine durch ihre Temperatur unterscheiden, enthalten unterschiedliche Mengen Entropie. Der wärmere Körper enthält mehr Entropie als der kältere Körper. Stehen zwei unterschiedlich warme Körper miteinander in Kontakt, fließt die Entropie vom wärmeren zum kälteren Körper, bis ein Ausgleich der Entropiemenge erreicht ist. Durch diesen Prozess gleichen sich auch die Temperaturen der beiden Körper an. Bei der Entropie handelt es sich um eine extensive Größe – fügt man zwei Körper zusammen, so addieren sich die Entropien beider Körper.
Im Gegensatz zu vielen anderen mengenartigen Größen ist die Entropie keine Erhaltungsgröße. Sie kann nicht vernichtet, jedoch erzeugt werden. Die Erzeugung der Entropie entsteht beispielsweise durch Reibung, durch Erwärmung eines ohmschen Widerstands oder durch Mischungsvorgänge. Solange keine Entropie erzeugt wird, solange die Entropie in einem geschlossenen System also gleich bleibt, sind alle Vorgänge, die sich in diesem System abspielen, reversibel. Sobald jedoch Entropie erzeugt wird, können die Vorgänge nicht mehr umgekehrt werden – sie werden irreversibel.
Die Entropie zeichnet sich darüber hinaus durch eine weitere Besonderheit aus: Einem Körper kann nicht beliebig viel Entropie entzogen werden. Für die Entropieentnahme existiert mit dem absoluten Nullpunkt der Temperatur eine natürliche Grenze. Diesem Punkt kann man sich beliebig annähren, er kann jedoch auch unter größten Anstrengungen niemals erreicht werden. Bei dieser Besonderheit handelt es sich um den dritten Hauptsatz der Thermodynamik. In der Praxis ist nicht der absolute Wert der Entropie, sondern die Veränderung dieses Wertes von Bedeutung.
Die Entropie kann exakter als proportional zum Logarithmus der Anzahl von Mikrozuständen in einem geschlossenen System definiert werden. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies: Je mehr Mikrozustände in einem geschlossenen System eingenommen werden können, desto höher ist die Entropie.
Schwierigkeiten bezüglich des Verständnisses der Entropie
Es handelt sich bei der Entropie um eine abstrakte Größe, die sich einer Messung entzieht. Aus diesem Grund ist sie für die meisten Schüler nur schwer verständlich. Sie ist im Gegensatz zu anderen Größen nicht greifbar und kann somit schlecht verdeutlicht werden.
Die Entropie kann anhand eines Beispiels jedoch ein wenig leichter verständlich gemacht werden. In der Ausgangssituation wird jeweils ein Liter Wasser betrachtet. Ein Liter kaltes Wasser (10 Grad Celsius) enthält eine Entropie von S= 151 J/K. Ein Liter lauwarmes Wasser (20 Grad Celsius) enthält eine Entropie von S= 297 J/K. Ein Liter warmes Wasser (30 Grad Celsius) enthält eine Entropie von S= 437 J/K. Nun soll eine Mischung von kaltem und warmem Wasser vorgenommen werden.
Vor der Durchführung des Experiments sollte bedacht werden, dass Entropie in einem System, das mit seiner Umgebung weder Masse noch Energie austauscht, niemals spontan abnehmen kann.
Schüttet man nun einen Liter kaltes Wasser (151 J/K) und einen Liter warmes (437 J/K) zusammen, entstehen spontan zwei Liter lauwarmes Wasser (297 J/K + 297 J/K = 594 J/K). Anhand dieses Experiments kann verdeutlich werden, dass Entropie in einem geschlossenen System niemals spontan abnimmt. Ursprünglich war 151 J/K + 437 J/K = 588 J/K Entropie vorhanden. Die Entropie hat durch den Mischvorgang leicht zugenommen (594 J/K).
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